SWCNT–H?O纳米流体以及核心结构对夹层板热性能与防潮性能影响的数值研究

《Scientific Reports》：Numerical investigation of SWCNT–H?O nanofluid and core topology effects on the thermal and moisture performance of sandwich panels

　　

摘要

本研究利用ANSYS Fluent和有限体积法，对SWCNT–H?O纳米流体浓度与核心材料结构对热性能的综合影响进行了数值分析。研究选择了五种核心材料——聚氨酯（PU）、未增塑聚氯乙烯（UPVC）、挤塑聚苯乙烯（XPS）、膨胀聚苯乙烯（EPS）和玻璃棉（GW），在层流状态及35至350千瓦/平方米的恒定热流密度条件下进行测试。连续性方程、动量方程和能量方程均采用二阶迎风格式离散化处理，连续性方程和动量方程的收敛阈值设定为10??，能量方程的收敛阈值则为10??。本研究通过对SWCNT–H?O纳米流体冷却夹层板进行耦合多物理场数值分析，能够在统一的有限体积框架内同时评估热传递、流体动力学行为以及水分扩散情况。与传统仅关注单一热流体或湿热效应的研究不同，本研究量化了多种核心材料中影响对流换热增强、导热绝缘性能以及水分稳定性的相互作用机制。此外，研究还通过熵产生和贝詹数分析，揭示了热力学上的权衡关系及不可逆性特征，从而为性能优化提供更深层次的见解。研究结果表明存在一种非直观的权衡关系：那些具有更高隔热性能的材料，在纳米流体冷却作用下的热流体效率并不一定更高，这凸显了导热阻力和对流增强作用之间的竞争关系。在φ=1.5%到φ=4.5%的范围内，所有情况下的压力降增幅都低于12%，相比而言，热传递效率提升了39.8%至55.4%。不过这一结论是基于所使用的单相均匀纳米流体模型得出的；实际浓度为4.5%的SWCNT-水纳米流体可能会表现出更大的粘度增加和更高的压力损失。总体而言，研究结果证实SWCNT–H?O纳米流体能够显著提升热导率和对流换热效率，尤其是在雷诺数较高（Re=200–600）的情况下。在所有测试材料中，UPVC夹层板的热流体效率最高，其效率优势可达其他材料的42.7%，而聚氨酯则是最具成本效益的选择，它在热性能和结构性能方面取得了良好的平衡。